关键词：微机继电保护；单片机；硬件；软件；实时系统；具体应用
中图分类号：TM771文献标识码：B
DesignPrincipleofMicrocomputerRelayProtectionandItsSpecificApplication
ZHUYong—fang
(NingboPowerAdministation，NingboZhejiang315010China)
Abstract:Thispaperexpoundshardwareformofmicrocomputerrelayprotectionanddesignmethodofsoftware，andpresentsitsspecificapplicationinelectricpowersystemandattentionproblemsontothemicrocomputerrelayprotectionrunning．
Keywords：microcomputerrelayprotecting;one—chipcomputer;hardware；softwaretimesystem;specificapplication
1前言
随着国民经济持续快速发展以及人民大众生活水平的日益提高，电力用户对电能的需求量越来越大，对供电质量要求也越来越高，同时电力部门又受减员增效的制约，在大规模发展建设电网同时，人员配备却没有相应增加，于是近几年无人值班变电站迅速发展起来，建成了一批能够实现“四遥”甚至综合自动化功能的局域性电网。
变电站综合自动化主要涉及到计算机网络与数据库及通信的技术，计算机技术的飞速发展及其与较完善的通信技术的密切结合，可以使变电站综合自动化比较容易实现；可以节约相当的人力、物力成本，使电力企业创造出更佳的经济效益。
微机继电保护起着重要的作用，在继电器保护技术领域，除了离线地运用计算机作故障分析和继电保护装置的整定计算，动作行为分析外，目前成熟的微机实时保护已大规模进入继电保护领域，微机继电保护是继电保护技术发展的重要方向。
实时系统往往是专用的，系统与应用很难分离，常常紧密结合在一起，实时系统并不强调资源利用率，更关心及时性(又称时间紧迫性)可靠性和完整性，实时系统又可分为过程控制与实时信息处理。
2设计原理
微机保护具体由硬件和软件两大部分组成，下面分别予以详细阐述。
2.1硬件方面
在设计产品时，应充分考虑到可靠性、可维护性和可扩性。软件版本升级不应变更硬件。
微机保护硬件系统包含以下四个部分：①数据处理单元，即微机主系统，②数据采集单元，即模拟量输入系统；③数字量输入/输出接口：即开关量输入输出系统；④通讯接口。
微机保护中CPU通过模数转换器(A/D)获得输入的电压，电流等模拟量为数字量(也可以含开关量输入)的过程称为采样，它实际上完成了输入连续模拟量到离散采样数字量的转换过程，它一般通过采样中断来实现。
从外面引入微机保护的开关量，如开关、闸刀位置辅助接点，收发信机的收发信状态触点等都是由“开入”回路中的光电隔离技术处理后，将信息送至中央处理系统。从微机保护送出的开关量，如跳闸命令，告警信息等，则是经“开出”回路中的光电隔离技术处理后，将中央处理系统的判断结果送出。光电隔离技术可以有效抵御干扰侵入。
中央处理系统即CPU主系统。由它对数据采集系统输入的各种原始数据进行计算分析、处理、判断，完成各种继电保护功能。
CPU主系统是微机保护系统的核心。它一般包括：微处理器、只读存储器、随机存储器和定时器等部件，集成在一块板上叫单板机，集成在—块芯片上的叫单片机。
单片微型计算机简称为单片机(大规模集成，总线不出芯片)。它在一块芯片上集成了中央处理部件(CPU)存储器(RAM，ROM)、定时器、计数器和各种输入输出接口(如并行I/O口，串行I/O，和A/D转换器)等，其互联结构框图如下所示，单片机本身就是为实时控制应用而设计制造的。总线不出芯片的单片机可大大增加其抗干扰性能。
TXD串行数据发送口
RXD串行数据接收口
RAM常用于存放采样数据和计算的中间结果、标志字等信息，一般也同时存放微机保护的动作报告信息等内容。读写操作方便，执行速度快，缺点是 5V工作电源消失，其后有数据、报告等内容也消失。
EPROM用于存放微机保护功能程序代码，在12.5V～21V电压下固化，5V电压环境下运行。若修改程序或版本升级，需将此芯片经专用紫外线擦除工具擦除后再重新固化。
E2PROM(电可擦写的只读存储器)特点是5V工作电源下可重新写入新的内容，并且 5V工作电源消失后其内容不会丢失，所以E2PROM常用于存放定值，重要参数等信息。缺点是写入较慢，有串行和并行两种方式。
FLASH用途同上，但其容量更大，写入速度快，有替代E2PROM可能。
在CPU的选型问题上，首先考虑的是能否在两个相邻采样间隔内完成它必须完成的工作，即CPU的速度问题。衡量速度的一个重要指标就是字长，字长越长，它同时所能处理的数据位数越多，即处理速度越快；另一方面，CPU速度问题跟其采用的主工作频率有关，同时跟子系统模数转换器(A/D)的位数配合也有关。
对电力系统设计而言，在CPU选型方面，除考虑到其四性要求，还应充分考虑到经济性，确定一个较经济的方案，否则将对财物造成极大的浪费，但当可靠性与经济性发生冲突时，应倾向侧重于可靠性，确保电力系统的稳定安全运行。
保护采用多CPU结构，各功能相互独立，相互配合，使得装置功能和处理能力得到提高，有力地实现保护的快速可靠性。
2.2软件方面
软件设计是技术的关键，简洁的硬件配置是靠软件来支撑的，软件编制一般按功能来划分，做到标准化、模块化，并便于功能的扩充。对现场的信息参数宜编制独立的参数模块，以便于在运行中修改。具有滤波功能的微机继电装置，其模拟量的数据文件，应能转换成标准格式输出。
微机继电保护固有特性及其对实时电力系统的特殊应用环境，其对实时性要求以及对抗干扰设计容错设计要求特别严格。微机保护采用的单片机软件编写一般采用汇编语言。
汇编语言可以直接对硬件进行操作，例如，对内存地址的操作、位操作等，编程需要对单片机硬件资源相当了解熟悉。由于单片机各方面资源有限，所以程序规模较小，资源使用应该紧凑，其编程就较困难，周期长，同时程序的可读性和可移植性、维护性都比较差，其优点是实时性强。
现今微机保护开发的手段是C语言与汇编语言混合编程，采用C语言编程功能软件独立于硬件之外，可以模块化设计，这符合软件模块化的要求，具备很强的可移植性，继承性。
C语言作为一种高级语言，又是一种较低级的语言，它具有丰富的库函数，强大的图形、数据的处理能力，使用方便灵活等优点，同时它又提供了指针和地址操作的能力，毫无疑问十分出色，但与汇编语言相比，仍有运算处理速度慢、无法准确定时的缺点。
因此用C语言作为主语言，调用汇编语言编写子模块，二者相互结合，可以提高程序执行速度和效率，达到事半功倍的效果如需快速控制时，可用汇编语言，如采样，A/D转换等，而用C语言编写数据处理程序及人机界面程序，可以充分利用C语言的库函数。
还有一种更为高效、方便、快捷的手段，就是采用图形化逻辑可编程技术，此保护开发可快速形成保护自动化功能过程。逻辑图输入—解析逻辑图一逻辑图执行。其执行效率逻辑运算速度可达到每秒300个逻辑门，这当然需要相应的软件支持。
继电保护的种类很多，按保护对象分，有元件保护，线路保护等，按保护原理分有差动保护，距离保护，电压电流保护等。然而，不管哪一类保护的算法，其核心问题归根结底为不外乎是算出可表征被保护对象运行特点的物理量，如电压、电流等有效值和相位以及视在阻抗等，或者算出它们的序分量或基波分量或某次谐波分量的大小和相位等，有了这些基本的电气量的计算值，就可以很容易构成不同原理的保护。所以这些基本电气量的算法研究一直以来是人们研究的重点。
微机保护装置根据模数转换器提供的输入电气量的采样数据进行分析运算和判断，以实现各种继电保护的功能和方法称为算法。按算法的目标可分为两大类，一类是根据输入电气量的若干点采样值，通过一定数学公式方程式计算出保护所反映的量值，然后与定值进行比较，另一类是根据动作方程式来判断是否在动作区内，而不计算具体量值，其计算工作量略有减少。评价算法优劣的标准是精度和速度。现一般采用较多的是两点乘积算法，傅里叶级数算法以及解微分方程算法(仅用于计算阻抗)，前二者算法常用于元件保护(如发电机，变压器的差动保护)后备电源电压保护以及一些相序分量组成的保护，后者只能用于计算阻抗，多用于线路保护中如距离保护。
每个CPU的基本程序结构见图3，主程序按固定的采样周期接受采样中断，进入采样及计算程序，且只有在主程序中允许接受通讯中断与管理CPU交换数据。
采样部分执行电流电压的采样，滤波及数据整理。当起动元件动作时，进入故障测量程序，进行各种故障的测量计算，发出跳合闸命令等。当起动元件不动作时，执行正常运行程序，例如检查开关位置，检查PT断线，电流电压自动零漂调整，收发讯通道检查报警。程序采用实时数据计算，在每一个采样周期内应完成全部计算。另外，在故障计算程序中，故障测量是平行计算的。
电力系统故障计算程序设计是微机保护的最基本也是最重要部分。它要涉及到电力系统稳态计算以及暂态计算的专业知识，特别是故障量突变的暂态特性变化应是保护动作差别的基础。
故障计算程序编写需要针对电力系统故障特征建立相应的数学模型，根据故障特有的边界条件推导数学公式，然后根据数学公式采用相应算法编写程序。电力系统故障一般不外乎单相接地(A、B、C)，两相短路(AB、BC、CA)，两相短路接地，三相短路等，可用穷举法举出所有故障类型，编写各相应独立的子程序，即模块化设计，故障发生时根据相应的故障条件转到相应子程序处理模块去。这样，编写调试，维护都相应简单、轻松。
程序设计正确与否可通过相应模拟故障分析，比如区内(外)单相、两相、三相短路时动作行为选相性能试验，瞬时性故障和永久性故障时，保护装置与重合闸协同工作的动作能力等。
3具体应用
微机保护充分利用了计算机技术上的两个显著优势：高速的运算能力和完备的存贮记忆能力，以及采用大规模集成电路和成热的数据采集，A/D模数变换、数字滤波和抗干扰措施等技术，使其在速动性、可取性方面均优于以往传统的常规保护，而显示了强大生命力，与传统保护相比，微机继电保护装置共有的优点主要有以下几点
1.可靠性高。微机保护装置具有自诊能力，可随时对其自身的硬件和软件进行检测，如有异常就会发出报警。
2.保护性能得到较好改善。微机保护装置是用数学运算方法来实现保护功能。
3.易扩展功能。便于信息的管理与交换。微机保护装置能提供各种动作时序、动作时间、故障类型、相别及故障前后电压、电流跟踪采样记录等信息，对线路保护，还可附加测距功能。
4.维护调试方便。
华东电网220kV线路已逐步将原先的晶体管保护用国产的双微机保护代替，微机保护主要是南自厂的WXB—X系列，四方公司CLS—X系列或南自院的LFP—X系列以及许继的WXH—11系列。宁波电业局在220kV线路上普遍采用南瑞继保公司的LFP—901A加南京电力自动化设备厂的WXB—11C双微机线路保护，110kV线路逐步采用南瑞继保公司的LFP—901(B)或许继的WXH—11/FX(GX)微机线路保护，保护投运后运行情况良好。另外，美国SEL公司SEL微机保护，瑞典ABB公司的REL微机保护等国外保护目前在华东电网500kV线路上也使用颇多。
WXB—01是国内第一代微机保护之一，由华北电力学院研究开发，上海继电器厂制造，装置特点是采用了电压/频率变换(VFC)构成模数转换器，采用了多CPU(8031芯片，八位单片机)并行工作方式的配件结构，装置配置了四个硬件完全相同的CPU插件，每个插件独立地完成一种保护功能。一般情况下，四个硬件相同的插件可以配不同的软件，分别构成高频、距离、零序和综重。上述所有保护均能独立选相，相互之间没有依赖关系。采用多CPU结构后，每个单片机只承担一种保护的功能，因而保护的动作速度可以得到快速保证。利用多CPU自检及对CPU巡检相结合，相对独立又相互备用，提高了保护的可靠性。
微机保护原理大同小异，WXB—11系列是在WXB—01基础上改进发展的，它同WXH—11系列这些装置的CPU核心模块都由以下芯片构成：
一片INTEL8031微处理机芯片用以执行各种保护程序；
一片32K的27256芯片用以存放各种保护程序；
三片2KEEPROM2817A芯片，用于存放保护定值；
一片8255并行接口芯片，用于开关量输入输出；
一片74LS373地址锁存器用于地址锁存；
一片74LS139译码器用于地址译码；
LEP—900系列微机保护选用的是16位增强型单片机INTEL80C196控制单元。
8031芯片是INTEL公司生产的MCS—51系列，采用HMOS工艺，有5个中断源，其中内部有三个中断源，两个外部中断源，无片内ROM，但具有片外64KB的程序存贮器地址空间，256B内部数据存贮器地址空间及64K的外部数据存贮器地址空间，所以其必须外接EPROM程序存贮器。80C196芯片是INTEL公司推出的十六位高性能MCS—96系列单片机，运算速度快，精度高，主要特点是16位CPU，232字节寄存器文件，具有采样保持的10位A/D转换器，20个中断源，五个开入I/O口等。
由于计算机技术的发展，微机保护硬件发展趋势也趋于多样，有采用总线不扩展的高位单片机，比如国电南自最新推出的PST1200系列数字式变压器采用14位A/D数据采集技术，进一步提高产品测量精度，选用MOTOROLA32位单片机技术，使保护稳定性和运算精度得到保证。也有采用通用CPU配合DSP芯片数字信号处理的，DSP芯片是为完成某种特定信号处理器设计的，在通用计算机上需要多条指令才能完成的处理，在DSP上往往可用一条指令完成，完成特定处理的计算能力很强(实际上DSP本身就是单片机)，这也是超大规模集成电路(VLSI)制造技术的进步使得生产低廉的DSP芯片成为可能。ABB的REL保护装置就是采用DSP技术。
微机保护虽有众多优点，但也并不是很完美。可靠性是对继电保护装置的基本要求之一。它包括两个方面：不误动和不拒动。由于微机本身独有的显著优点：
自诊断以及自适应特点，所以其误动的可能性很少，但是，各种干扰对微机保护造成的主要表现“读”或“写”出错，虽有纠错程序安排的自动纠正措施，但严重的是程序隐入死锁即程序出格，CPU停止了执行保护的任务还有微机直流电源消失等，这些都将使微机保护在被保护对象发生故障时拒动，应及时发现并采取相应措施。微机保护在运行时严禁复位，因为复位时CPU的读、写、信号和数据，地址都出现非稳定状态，容易造成数据错误、丢失及保护的误动。
微机保护所需直流电源一般由本身装置的逆变电源插件供给三组稳压电源24V，±15，及5V，三组电源均不共地，且均采用浮空方式，同外壳不相连。24V电源常用于驱动出口跳闸及其信号继电器及所开入量，±15V常用于各VFC芯片， 5V用于CPU和MMI(人机对话)。
微机保护投入运行一般需对保护装置作位合直流电源试验，直流电压缓慢地大幅度地变化(升或是降)试验，保护在此过程中不得出现有误动作或信号误表示的情况。
微机保护总告警灯亮，同时4个保护(高频，距离、零序和综重)之一告警灯亮时，退出相应保护；如果两个CPU故障，应退出该装置所有保护，告警插件所有信号灯不亮。如果电源指示灯熄灭说明直流消失，应退出出口压板，在恢复直流电源后再投入。总告警灯及呼唤灯亮且打印显示CPUXERR信号，如CPU正常，说明保护与接口CPU间通讯回路异常，退出CPU巡检开关处理；若信号无法复归，说明CPU有致命缺陷，应退出保护出口板并断开巡检开关处理。
微机保护对工作环境及对温度要求比较严格，不允许有超过发电厂变电站范围内的可能遇到的强电磁场存在，相对湿度为5％～95％，环境温度为－5～ 40℃，超此范围应装空调。微机保护采用CPU芯片，极限工作温度也只有75℃左右，长时间超高温，使用时间长，死机也成必然。同时，如温度过高，CPU芯片也将采用降频技术实现散热的自保护措施，而这将大大降低CPU的运算速度以及数据处理能力，而这有可能使微机保护产生严重错误，保护有可能失去作用，所以微机保护工作环境温度也必须引起极大重视。
